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        單晶薄膜體聲波諧振器頻率溫度特性研究

        2020-09-03 14:12:26田本朗白曉園羅文博吳傳貴張萬里
        壓電與聲光 2020年4期
        關(guān)鍵詞:反射層晶圓諧振器

        簡 珂,帥 垚,田本朗,白曉園,羅文博,吳傳貴,張萬里

        (電子科技大學(xué) 電子薄膜與集成器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610054)

        0 引言

        LN材料的縱波聲速約為7 400 m/s,當(dāng)工作頻率大于2.5 GHz時(shí),其薄膜厚度需小于1 500 nm。近年來發(fā)展了一種離子注入剝離(CIS)法,用于特定取向的LN薄膜制備。首先將He+注入到LN晶片(施主晶片)中,然后用磁控濺射法在硅襯底晶片上沉積一定厚度的SiO2膜,再將注入晶圓與硅襯底進(jìn)行鍵合,鍵合界面為SiO2-LN,鍵合后的晶圓在高溫下真空退火,使注入的He+形成氣泡,并使施主晶圓沿缺陷層產(chǎn)生劈裂,最終使LN薄膜轉(zhuǎn)移至Si襯底上。

        1 實(shí)驗(yàn)

        1.1 仿真設(shè)計(jì)

        (1)

        圖1 LN BAW的三維模型圖和阻抗-頻率響應(yīng)圖

        1.2 器件制備

        LN BAW的制作流程如圖2所示。首先將He+注入LN晶片(施主晶片)中,然后用磁控濺射法在注入表面沉積Al電極膜,并在注入面依次交替生長SiO2和Mo,共7個(gè)循環(huán),即4層SiO2、3層Mo,形成布喇格反射結(jié)構(gòu)。隨后將生長了反射層的注入晶圓與另一個(gè)LN晶圓進(jìn)行鍵合,鍵合界面為SiO2-LN,鍵合后的晶圓在400 ℃下真空退火5 h,使注入的He+形成氣泡,并使注入晶圓沿缺陷層產(chǎn)生劈裂,最終使LN薄膜、Al電極及布喇格反射層整體轉(zhuǎn)移至LN襯底。最后在LN薄膜表面制備上電極,形成LN BAW諧振器結(jié)構(gòu)。

        圖2 LN BAW諧振器制作流程圖

        2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

        2.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

        圖3 LN BAW諧振器的剖面SEM測試圖及表面AFM測試圖

        2.2 頻域分析

        1) 仿真所用的材料參數(shù)是由COMSOL Multiphysic軟件中直接獲取,與實(shí)際制作獲得的材料參數(shù)不完全一致。

        2) 實(shí)際制作的BAW器件的各層厚度與設(shè)計(jì)參數(shù)存在差異。

        3) 實(shí)際器件中還存在機(jī)械損耗、介質(zhì)損耗等,導(dǎo)致器件性能下降。

        圖4 LN BAW諧振器的測試結(jié)果

        2.3 頻率溫度特性測試

        在移動通信中,各頻段非常接近,這要求濾波器的工作頻點(diǎn)隨溫度的變化不能出現(xiàn)過大的漂移。與AlN相比,LN雖然具有較高的機(jī)電耦合系數(shù),但其TCF也較大,這對實(shí)際應(yīng)用不利。TCF可通過下式計(jì)算:

        (2)

        c(T)=c(T0)·[1+a0(T-T0)+b0(T-

        T0)2+c0(T-T0)3+…]

        (3)

        式中:T0為常溫;a0、b0、c0分別為泰勒展開式中不同階數(shù)的系數(shù),高階項(xiàng)對c影響較小,我們主要考慮第一階溫度系數(shù)。LN是一種各向異性晶體,不同軸向具有不同的溫度系數(shù),LN具有負(fù)的彈性溫度系數(shù)(見表1),從而導(dǎo)致TCF為較大的負(fù)值[11]。SiO2是一種正溫度系數(shù)的材料,我們也給出其楊氏模量溫度系數(shù)[12]。通過將SiO2作為低聲阻抗層材料,能夠很好地補(bǔ)償LN的溫漂現(xiàn)象。

        表1 彈性系數(shù)矩陣c參數(shù)及溫度系數(shù)

        圖5 LN BAW諧振器的實(shí)際測試結(jié)果

        3 結(jié)束語

        本文從有限元仿真入手,對單晶LN BAW諧振器進(jìn)行了建模,利用仿真結(jié)果分析了其諧振特性?;陔x子注入剝離法,成功實(shí)現(xiàn)了單晶LN薄膜的轉(zhuǎn)移和 BAW諧振器的制備,并研究了其頻率隨溫度變化的特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,基于單晶LN薄膜的布喇格反射型BAW器件不僅具有較高的機(jī)電耦合系數(shù),且通過SiO2/Mo構(gòu)成的聲反射層還能對溫漂進(jìn)行有效的補(bǔ)償,從而實(shí)現(xiàn)了較小的TCF值。低溫度系數(shù)、高機(jī)電耦合系數(shù)的薄膜體聲波諧振器可滿足大帶寬濾波器的應(yīng)用需求。

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